Физика/4. Применение физических методов в медицине

К.б.н. Калашникова Л.Е., Кудлик Д.С.

Национальный технический университет Украины «КПИ», Киев, Украина,

Особенности влияния многокомпонетных аудиосигналов на электрические характеристики

альфа ритма неокортекса человека

Рост количества психологических нагрузок на человека требует большого напряжения всех функциональных систем, поэтому существует необходимость оптимизации функций нашего организма для приспособления к изменяющимся условиям. В этих случаях могут приходить на помощь методы естественной стимуляции головного мозга с целью регулирования физиологических функций и активации физического ресурса человека [1, 2, 3].

Так как музыка является мощным средством эмоциональной регуляции человека, она может быть использована для этих целей в различных сферах человеческой деятельности. Наряду со многими исследованиями влияния музыки на функциональное состояние организма различных групп населения существует необходимость оценки влияния музыки на функциональное состояние людей, находящихся в условиях активных боевых действий.

Известно, что прослушивание музыки изменяет функциональное состояние ЦНС. Показателями изменения функциональной нагрузки на неокортекс человека служат изменения биоэлектрической активности мозга. Электрическая активность головного мозга проявляет себя в виде мозговых волн. Существует четыре основные категории таких волн: альфа, бета, тета и дельта волны. Они отличаются своими амплитудно-частотными характеристиками и отвечают за различные состояния активного состояния человека. Известно, что альфа-волновая активность соответствует состоянию покоя человека - это необходимое состояние для снятия психоэмоциональных нагрузок. Усиление альфа-ритмов ведет к релаксации и состояния расширенного сознания. Альфа-ритм - это наиболее естественный и продуктивный ритм работы человеческого мозга [3, 5].

Таким образом целью исследования было изучение пространственной организации альфа-активности неокортекса человека при аудио-стимуляции.

Методика эксперимента

При проведении исследований по стимуляции ценральной нервной системы человека сложными аудиосигналами, было задействовано 5 аудио-стимулов разного компонентно-структурного состава. С помощью программного обеспечения Matlab были проанализированы спектры частот для каждой из композиций, используемых в эксперименте. На основе этих данных установлено, что каждая из пяти композиций имеет свои характерные частоты с наибольшей амплитудой по отношению ко всему спектру. Согласно данным анализом аудио сигналы были разделены на следующие три группы: низкие частоты (НЧ) в диапазоне от 20 Гц до 300 Гц, средние частоты (СЧ) - от 300 Гц до 3 кГц и высокие частоты (ВЧ) - от 3 кГц до 20 кГц, в соответствии с диапазоном частот воспринимаются человеческим ухом.

Согласно такому делению было установлено, что первая композиция имеет наибольший вклад НЧ; вторая - ВЧ; третья - высокий вклад СЧ и ВЧ; четвертая - не имеет выраженных ВЧ, но существенно выражены СЧ; пятая - уже имеет вклад всех диапазонов, но с преобладанием СЧ.

На добровольном согласии, в соответствии с правилам биоэтики, которые регламентированы международными документами, в исследовании принимали участие 30 добровольцев. Все обследованные были праворукими и не имели специального музыкального образования. Исследование влияния аудио-сигналов на электрическую активность коры головного мозга проводили методом электроэнцефалографии (ЭЭГ) с помощью компьютерного электроэнцефалографа марки «Neuroscope-416» с использованием серебряных чашечково электродов, расположенных в отведениях, локализация которых определялась в соответствии с международной системы «10-20». Статистическая обработка данных ЭЭГ проводилась по U-критерию Уилкоксона-Мана-Уитни, для малых выборок медико-биологических данных [4]. На рисунке 1 представлена блок-схема проведения эксперимента.

А

.

Б.

Рис.1. Блок-схема регистрации ЭЭГ: А –схема наложения электродов.

Б.-Схема регистрации электрических сигналов мозга.

Исследования проводились в специально подготовленном помещении (заглушенной комнате). Сигнал подавался на вакуумные наушники с источником звука служил mp3-плеэр «SanDisc Sansa».

Результаты эксперимента

Установлено, что аудио сигнал с выраженными низкими частотами, вызвал статистически достоверные изменение средних значений электрических характеристик альфа ритма, таких как частота, амплитуда и вклад альфа-ритма у 76% участников эксперимента. Таким аудиосигналом была музыкальная композициея «Bohren Und Der Club of Gore - On Demon Wings». Спектральный анализ частот исследуемого аудио-сигнала представлен на рис 2.

А. Б.

Рис.2. Частотный анализ аудио-сигнала 1. Композиция «Bohren Und Der Club of Gore - On Demon Wings». А. Частотная характеристика аудио-сигнала 1. Б. Распределение частот в аудио-стимуле: НЧ –низкие чистоты; ВЧ-высокие частоты; СЧ- средние частоты.

Для анализа аудио-сигнала и его влияния на электрические сигналы мозга было выделено 5 паттернов ЭЭГ и, соответствующие отрезки музыкального ряда. Анализ аудио-отрезков свидетельствует, что в каждом из них доминировали низкие частоты. Установлено, что частотоы 2500-2700 Гц вызывали пиковые изменения спектральной мощности ЭЭГ. При прослушивании аудио сигнала 1, на ЭЭГ фиксировали уменьшение амплитуды альфа-электрического сигнала на 5%, на фоне роста основной частоты альфа-ритма на 12 % относительно таковых средних характеристик фоновой записи ЭЭГ . При влиянии музыкальной композиции 1 наблюдалось изменение зонального распределения альфа ритма, с проявлением правосторонней ассиметрией 7,3%.

Анализ фоновой записи ЭЭГ, в выделенных патерннах, активность альфа ритма фиксировалась в затылочных областях мозга. При прослушивании аудио-записи 1, активность альфа-ритм имеет большую область распространения по неокортексу человека. (Рис.3)

А.

Б.

Рис.3.Пример записи ЭЭГ .Пример графического представления записи электрических сигналов мозга при всех отведениях и зональное распределение альфа сигнала по неокортексу человека. А. Патерн фоновой ЭЭГ. Б. Патерн ЭЭГ на фоне аудио-стимула.

Пиковые значения спектральной мощности альфа-сигнала регистрировали, кроме затылочных, в лобных и теменных областях. Спектральная мощность ЭЭГ имела ярко выраженную правостороннюю асимметрию.

Таким образом можно сделать вывод, что прослушивание музыки с доминированием аудио-сигналов с доминированием низких частот может приводить к усиленю характеристик альфа-волновой активности и зонального распределения альфа сигнала, что может свидетельствовать о переходе индивида в состояние спокойного бодрствования.

Литература

1. Михайлова Е.С. Восприятие музыки здоровыми людьми и лицами, находящимися в состоянии депрессии // Физиология человека, 1992, Т. 18, № 6, С. 68-76.

2. Михайлова Е.С., Моносова А.Ж., Беляев Б.С. Эмоциональная реактивность пациентов с депрессией // Журн. Невропатологии и психиатрии им. С.С. Корсакова, 1990, Т. 90, №4, С. 86-91.

3. Захарова Н.Н., Авдеев В.М. Функциональные изменения центральной нервной системы при восприятии музыки (к проблеме исследования положительных эмоций) // Журн. высш. нерв, деят., 1982. Т. 32, № 5, С. 915-923.

4. Зенков Л.Р. Клиническая электроэнцефалография (с элементами эпилептологии). Руководство для врачей / Л.Р.Зенков. – 4-е изд. – М. : МЕД-прессинформ, 2011. – 368 с.

5. Сахаров Д.С. Пространственная организация электрической активности неокортекса человека при распознавании зашумлённых зрительных образов в сопровождении музыки: автореф. дис. ... канд. биол. наук. – М., 2006. – 27 с.